OTDR光纖測試法及在光纜施工中的應(yīng)用

中鐵五局電務(wù)公司 龍安仁

OTDR光纖測試法及在光纜施工中的應(yīng)用

中鐵五局電務(wù)公司 龍安仁

OTDR作為光纖通信的主要測試儀表之一，在光纜施工、維護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。為提高測試者技術(shù)水平，解決測試精度和盲區(qū)兩個關(guān)鍵問題，本文對OTDR基本原理、參數(shù)設(shè)置和OTDR光纖測試法在光纜施工中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，總結(jié)了解決OTDR光纖測試中出現(xiàn)問題的經(jīng)驗(yàn)與措施。

OTDR；參數(shù)設(shè)置；光纖測試法；光纜施工；經(jīng)驗(yàn)與措施

OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光時域反射儀)是表征光纖傳輸特性的測試儀器。OTDR是光纖測試領(lǐng)域中的主要儀表，被廣泛應(yīng)用于光纜線路的施工、維護(hù)之中，可進(jìn)行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。OTDR具有非破壞性、測試時間短、測試速度快、測試精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.支持OTDR技術(shù)的兩個基本公式

OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光時域反射儀)是利用光脈沖在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射而制成的高科技、高精密的光電一體化儀表。半導(dǎo)體光源(LED或LD)在驅(qū)動電路調(diào)制下輸出光脈沖，經(jīng)過定向光耦合器和活動連接器注入被測光纜線路成為入射光脈沖。

入射光脈沖在線路中傳輸時會在沿途產(chǎn)生瑞利散射光和菲涅爾反射光，大部分瑞利散射光將折射入包層后衰減，其中與光脈沖傳播方向相反的背向瑞利散射光將會沿著光纖傳輸?shù)骄€路的進(jìn)光端口，經(jīng)定向耦合分路射向光電探測器，轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)過低噪聲放大和數(shù)字平均化處理，最后將處理過的電信號與從光源背面發(fā)射提取的觸發(fā)信號同步掃描在示波器上成為反射光脈沖。

返回的有用信息由OTDR的探測器來測量，它們就作為被測光纖內(nèi)不同位置上的時間或曲線片斷。根據(jù)發(fā)射信號到返回信號所用的時間，再確定光在石英物質(zhì)中的速度，就可以計算出距離(光纖長度)L(單位：m)，如式(1)所示。

式（1）中，n為平均折射率，△t為傳輸時延。利用入射光脈沖和反射光脈沖對應(yīng)的功率電平以及被測光纖的長度就可以計算出衰減a(單位：dB／km)，如式(2)所示：

2.OTDR結(jié)構(gòu)方框圖

圖1是OTDR原理結(jié)構(gòu)方框圖。脈沖發(fā)生器發(fā)出寬度可調(diào)的窄脈沖驅(qū)動激光二極管(LD)，產(chǎn)生所需寬度的光脈沖(通常為2ns～20μs)，經(jīng)方向耦合器后入射到被測光纖，光纖中的后向散射光和菲涅耳反射光經(jīng)耦合器進(jìn)入光電探測器，光電探測器把接收到的散射光和反射光信號轉(zhuǎn)換成電信號，由放大器放大后送信號處理部件處理(包括取樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換和平均)，結(jié)果由顯示部件顯示：縱軸表示功率電平，橫軸表示距離。時基與控制單元控制脈沖寬度、取樣和平均。

3.保障OTDR精度的五個參數(shù)設(shè)置

3.1 測試波長選擇

波長，這樣測試效果會更好。

由于OTDR是為光纖通信服務(wù)的，因此在進(jìn)行光纖測試前先選擇測試波長，單模光纖只選擇1310nm或1550nm。由于1550nm波長對光纖彎曲損耗的影響比1310nm波長敏感得多，因此不管是光纜線路施工還是光纜線路維護(hù)或者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、教學(xué)，使用OTDR對某條光纜或某光纖傳輸鏈路進(jìn)行全程光纖背向散射信號曲線測試，一般多選用1550nm波長。

1310nm和1550nm兩波長的測試曲線的形狀是一樣的，測得的光纖接頭損耗值也基本一致。若在1550nm波長測試沒有發(fā)現(xiàn)問題，那么1310nm波長測試也肯定沒問題。

選擇1550nm波長測試，可以很容易發(fā)現(xiàn)光纖全程是否存在彎曲過度的情況。若發(fā)現(xiàn)曲線上某處有較大的損耗臺階，再用1310nm波長復(fù)測，若在1310nm波長下?lián)p耗臺階消失，說明該處的確存在彎曲過度情況，需要進(jìn)一步查找并排除。若在1310nm波長下?lián)p耗臺階同樣大，則在該處光纖可能還存在其他問題，還需要查找排除。在單模光纖線路測試中，應(yīng)盡量選用1550nm

圖1 OTDR原理結(jié)構(gòu)方框圖

圖2 OTDR測試連接圖

圖3 OTDR測試曲線事件類型及顯示

3.2 光纖折射率選擇

現(xiàn)在使用的單模光纖的折射率基本在1.4600-1.4800范圍內(nèi)，要根據(jù)光纜或光纖生產(chǎn)廠家提供的實(shí)際值來精確選擇。對于G.652單模光纖，在實(shí)際測試時若用1310nm波長，折射率一般選擇在1.4680；若用1550nm波長，折射率一般選擇在1.4685。折射率選擇不準(zhǔn)，影響測試長度。

在式(1)中折射率若誤差0.001，則在50000m的中繼段會產(chǎn)生約35m的誤差。在光纜維護(hù)和故障排查時很小的失誤便會帶來明顯的誤差，測試時一定要引起足夠的重視。

3.3 測試脈沖寬度選擇

設(shè)置的光脈沖寬度過大會產(chǎn)生較強(qiáng)的菲涅爾反射，會使盲區(qū)加大。較窄的測試光脈沖雖然有較小的盲區(qū)，但是測試光脈沖過窄時光功率肯定過弱，相應(yīng)的背向散射信號也弱，背向散射信號曲線會起伏不平，測試誤差大。設(shè)置的光脈沖寬度既要能保證沒有過強(qiáng)的盲區(qū)效應(yīng)，又要能保證背向散射信號曲線有足夠的分辨率，能看清光纖沿線上每一點(diǎn)情況。

一般是根據(jù)被測光纖長度，先選擇一個適當(dāng)?shù)臏y試脈寬，預(yù)測試一兩次后，從中確定一個最佳值。被測光纖的距離較短(小于5000m)時，盲區(qū)可以在10m以下；被測光纖的距離較長(小于50000m)時，盲區(qū)可以在200m以下；被測光纖的距離很長(小于2500000m)時，盲區(qū)可高達(dá)2000m以上。

在單盤測試時，恰當(dāng)選擇光脈沖寬度(50nm)可以使盲區(qū)在10m以下。通過雙向測試或多次測試取平均值，盲區(qū)產(chǎn)生的影響會更小。

3.4 測試量程選擇

OTDR的量程是指OTDR的橫坐標(biāo)能達(dá)到的最大距離。測試時應(yīng)根據(jù)被測光纖的長度選擇量程，量程是被測光纖長度的1.5倍比較好。量程選擇過小時，光時域反射儀的顯示屏上看不全面；量程選擇過大時，光時域反射儀的顯示屏上橫坐標(biāo)壓縮看不清楚。

根據(jù)工程技術(shù)人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，測試量程選擇能使背向散射曲線大約占到OTDR顯示屏的70%時，不管是長度測試還是損耗測試都能得到比較好的直視效果和準(zhǔn)確的測試結(jié)果。

在光纖通信系統(tǒng)測試中，鏈路長度在幾百到幾千千米，中繼段長度40-60km，單盤光纜長度2-4km，合選擇OTDR的量程可以得到良好的測試效果。

3.5 平均化時間選擇

由于背向散射光信號極其微弱，一般采用多次統(tǒng)計平均的方法來提高信噪比。OTDR測試曲線是將每次輸出脈沖后的反射信號采樣，并把多次采樣做平均化處理以消除隨機(jī)事件，平均化時間越長，噪聲電平越接近最小值，動態(tài)范圍就越大。平均化時間為3min獲得的動態(tài)范圍比平均化時間為1min獲得的動態(tài)范圍提高0.8dB。

一般來說平均化時間越長，測試精度越高。為了提高測試速度，縮短整體測試時間，測試時間可在0.5-3min內(nèi)選擇。

在光纖通信接續(xù)測試中，選擇1.5min(90s)就可獲得滿意的效果。

4.OTDR光纖測試法在光纜施工中的應(yīng)用

應(yīng)用OTDR在光纜施工中對光纖進(jìn)行測試時，包括光纜到貨后的單盤測試、光纖接續(xù)測試、光纖中繼段測試和光纖故障點(diǎn)測量。OTDR的測試連接如圖2所示。

測試連接的方法是：OTDR-過渡光纖-光纖連接器-第1盤光纜-第2盤光纜-第n盤光纜，終端不連接任何設(shè)備。OTDR測試曲線事件類型及顯示如圖3所示。

4.1 單盤測試

在光纜到貨后進(jìn)行的單盤測試中，應(yīng)用OTDR測試光纖平均損耗和光纖長度，并通過對光纖OTDR測試曲線的觀察分析，確認(rèn)光纜的質(zhì)量合格與否。

4.2 光纖接續(xù)測試

在用光纖熔接機(jī)對光纖進(jìn)行接續(xù)時，熔接機(jī)在熔接完一根纖芯后一般都會給出這個接點(diǎn)的估算衰耗值，但為保證光纖接續(xù)損耗符合要求，應(yīng)采用光時域反射儀(OTDR)進(jìn)行監(jiān)測。

由于測試原理和光纖結(jié)構(gòu)上的原因，用OTDR單向監(jiān)測會出現(xiàn)虛假增益的現(xiàn)象，相應(yīng)地也會出現(xiàn)虛假大衰耗現(xiàn)象。對一個光纖接頭來說，兩個方向衰減值的數(shù)學(xué)平均數(shù)才能準(zhǔn)確反映其真實(shí)的衰耗值。比如一個接頭從A到B測衰耗為0.16dB，從B到A測為-0.12dB，實(shí)際上此頭的衰耗為[0.16+(-0.12)]／2=0.02dB。

現(xiàn)場監(jiān)測主要有以下三種方法：

4.2.1 OTDR后向測試法

OTDR在光纖接續(xù)方向后端進(jìn)行測試，始終保持固定不動。采用這種方法主要對光纜接續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，光纜接續(xù)一定要配備專用光纖熔接機(jī)和光時域反射儀(OTDR)。這種方法測試有三個優(yōu)點(diǎn)：

(1)OTDR固定不動，省略了儀表轉(zhuǎn)移所需車輛和大量人力物力；

(2)測試點(diǎn)選在有市電而不需配汽油發(fā)電機(jī)的地方；

(3)測試點(diǎn)固定，減少了光纜開剝。

同時該方法也有兩個缺點(diǎn)：

(1)因受距離和地形限制，有時無法保證聯(lián)絡(luò)的暢通；

(2)隨著接續(xù)距離的不斷增加，OTDR的測試量程和精度受到限制。

目前解決這些問題一般有三種方法：

①在市內(nèi)和市郊用移動電話可使測試人員和接續(xù)人員隨時保持聯(lián)絡(luò)，便于組織和協(xié)調(diào)，有利于提高工作效率。

②用光電話進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。確定好用一根光纖(如藍(lán)色光纖單元紅色光纖)接在光電話上作聯(lián)絡(luò)線。當(dāng)然最后這根作聯(lián)絡(luò)用的光纖在熔接和盤纖時就因無法聯(lián)絡(luò)而不能進(jìn)行監(jiān)測了。即使這樣，出現(xiàn)問題的可能性仍會大大降低(如果是24芯光纜，出現(xiàn)問題的概率會降到原來的1／24以下)。

③當(dāng)光纜接續(xù)達(dá)到一個中繼距離時，OTDR向前移動。

測試實(shí)踐證明，這些監(jiān)測方法對保證質(zhì)量、減少返工是行之有效的。

4.2.2 OTDR前向單程測試法

OTDR在光纖接續(xù)方向前一個接頭點(diǎn)進(jìn)行測試，用施工車輛將測試儀表和測試人員始終超前轉(zhuǎn)移。使用這種方法進(jìn)行監(jiān)測，測試點(diǎn)與接續(xù)點(diǎn)始終只有一盤光纜長度，測試接頭衰耗準(zhǔn)確性高，而且便于通信聯(lián)絡(luò)。目前一盤光纜長度大約為2-3km，一般地形下利用對講機(jī)就可保證通信聯(lián)絡(luò)。若光纜有皺紋鋼帶保護(hù)層，也可使用磁石電話進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。

這種測試方法的缺點(diǎn)也很明顯，OTDR要搬到每個測試點(diǎn)費(fèi)工費(fèi)時，又不利于儀表的保護(hù)；測試點(diǎn)還受地形限制，尤其是線路遠(yuǎn)離公路、地形復(fù)雜時更為麻煩。選用便攜型OTDR進(jìn)行監(jiān)測，近距離測試對儀表的動態(tài)范圍要求不高，且小型0TDR體積小重量輕移動方便，這樣可大大減小測試人員工作量，提高測試速度和工作效率。

4.2.3 OTDR前向雙程測試法

OTDR位置仍同“前向單程”監(jiān)測，但在接續(xù)方向的始端將兩根光纖分別短接，組成回路。這種方法即可滿足中繼段光纖測試，也可對光纖接續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。對中繼段光纖測試可以在光時域反射儀的顯示屏上很清楚地看到入射光脈沖、反射光脈沖、接頭點(diǎn)、斷裂點(diǎn)、故障點(diǎn)以及衰減分布曲線。OTDR測試事件類型及顯示如圖2所示，它可以為光纜維護(hù)提供方便。

對光纖接續(xù)進(jìn)行監(jiān)測時由于增加了環(huán)回點(diǎn)，所以能在OTDR上測出接續(xù)衰耗的雙向值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能準(zhǔn)確評估接頭的好壞。

4.3 中繼段測試

在中繼段測試中可應(yīng)用OTDR測試中繼段光纖總損耗、平均損耗、光纖長度和回波損耗，并通過對光纖OTDR測試曲線的觀察分析，確認(rèn)整個中繼段光纖的質(zhì)量合格與否。但由于OTDR測試存在近端盲區(qū)，會造成損耗測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，光纖中繼段損耗宜使用穩(wěn)定光源和光功率計進(jìn)行測試，用OTDR進(jìn)行測試曲線觀察分析。

4.4 故障點(diǎn)測試

應(yīng)用OTDR測試，可以較為準(zhǔn)確的測定故障點(diǎn)與測試點(diǎn)之間的距離。為提高測試精度，可在離故障點(diǎn)最近的光纖接頭處進(jìn)行測試。

5.解決OTDR光纖測試中出現(xiàn)問題的經(jīng)驗(yàn)與措施

5.1 接頭清潔

不清潔的連接器導(dǎo)致測量不可靠、曲線多噪音甚至使測量不能進(jìn)行，它還可能損壞OTDR。要獲得精確的、可重復(fù)的測量，光系統(tǒng)內(nèi)所有物理連接點(diǎn)清潔極為重要，單模光纖的模場直徑不到10μm，50μm直徑的塵粒有可能完全中斷光傳輸。即使遮攔5%的光傳輸區(qū)域，也會增加0.22dB的插入損耗。避免用酒精以外的其它清洗劑或折射率匹配液，因?yàn)樗鼈兛墒构饫w連接器內(nèi)粘合劑溶解。如不可避免地要用折射率匹配液，則要用專用于光纖連接器的特殊匹配液。

5.2 熔接增益

不同模場直徑或不同后向散射系數(shù)的光纖的熔接，在OTDR曲線上可能會產(chǎn)生一正增益，這一正增益是由于在熔接點(diǎn)之后的光纖比熔接點(diǎn)之前的光纖產(chǎn)生更多的后向散射光而形成的。事實(shí)上，光纖在這一熔接點(diǎn)上是熔接損耗的，因此，需要在兩個方向測量并對結(jié)果取平均作為該熔接損耗。

5.3 鬼影

在OTDR曲線上的尖峰有時并不是有真正的連接器或斷點(diǎn)引起的菲涅爾反射峰，而是由于離入射端較近且強(qiáng)的反射引起的回音，這種尖峰被稱為鬼影，如圖4所示。入射光脈沖在兩個連接器1，2之間來回反射，使得在OTDR曲線的G1處產(chǎn)生一個尖峰(鬼影)，圖4中終結(jié)強(qiáng)反射還可以引起鬼影G2。有兩個特征可用于識別鬼影：曲線上鬼影處未引起明顯損耗；沿曲線鬼影與始端的距離是強(qiáng)反射事件與始端距離的倍數(shù)?？赏ㄟ^以下方法消除鬼影：在強(qiáng)反射處使用折射率匹配液以減小反射、選擇短脈沖寬度以減小注入功率、在強(qiáng)反射之前的光纖中增加衰減。如果引起鬼影的事件位于光纖終結(jié)，可繞合適的工具(如鉛筆)幾圈以衰減反射回始端的光而得到消除鬼影的目的。

5.4 折射率與散射系數(shù)的校正

就光纖長度測量而言，折射率系數(shù)每0.01的偏差會引起每公里7米之多的誤差，對于較長的光纖段，應(yīng)采用光纜制造商提供的折射率值。如果折射率系數(shù)未知，但一段相同種類光纖的長度已知，那么可以將光標(biāo)放在已知長度的光纖末端，并調(diào)整折射率系數(shù)直至測得的兩點(diǎn)距離符合已知距離，則折射率系數(shù)就可以計算出來了。工程中，為了施工和搶修的方便，提出光纜折射率，它是把光纜絞縮率或光纖余長考慮在內(nèi)的折射率，可以幫助測試人員快速測試光纜皮長。如果需要精確測量光纖段的回波損耗或連接器的反射，需采用光纜制造商提供的散射系數(shù)值。若散射系數(shù)未知，但在一條類似的光纖中也存在反射且回波損耗已知，那么相應(yīng)的散射系數(shù)可以通過下述方法獲得：對已知反射進(jìn)行回波損耗測量，調(diào)節(jié)散射系數(shù)直至測量的回?fù)p值符合已知的回?fù)p值。需要注意的是，當(dāng)將距離測量和以前對同一光纖段的測量進(jìn)行比較時，應(yīng)使用同一個折射率系數(shù)；當(dāng)把一個回?fù)p測量值與先前對同一光纖連接所測的回?fù)p值進(jìn)行比較時，應(yīng)使用同一個散射系數(shù)。

5.5 過渡光纖的使用

過渡光纖是一段用于連接OTDR與待測光纖、長300-2000m的光纖，其主要用處為：前端盲區(qū)處理和終端連接器插入損耗測量。一般來說，OTDR與待測光纖間的連接器引起的盲區(qū)最大。在光纖實(shí)際測量中，有時為避免這一大的前端盲區(qū)淹沒待測光纖開始一段內(nèi)的細(xì)節(jié)，在OTDR與待測光纖間加接一段過渡光纖，使前端盲區(qū)落在過渡光纖內(nèi)，而待測光纖始端落在OTDR曲線的線性穩(wěn)定區(qū)。過渡光纖的長度視具體情況而定。光纖系統(tǒng)終端連接器插入損耗可通過OTDR加一段過渡光纖來測量。如要測量首端連接器的插入損耗，可在OTDR與待測光纖首端加一過渡光纖；如要測量首、尾兩端連接器的插入損耗，可在每端都加一過渡光纖。過渡光纖的特性應(yīng)與被測光纖一致，且連接器應(yīng)是高質(zhì)量的。

5.6 超長中繼測量

當(dāng)光纖線路損耗在OTDR動態(tài)范圍內(nèi)時，一般應(yīng)對兩個方向各測一次，每個方向的測試曲線應(yīng)包括全部長度的完整曲線。對超長中繼段，當(dāng)其線路損耗超出OTDR的動態(tài)范圍時，可從兩個方向測至中間(中間匯合點(diǎn)不應(yīng)落在接頭位置，且兩個方向的測量距離各為全程的一半左右)，曲線記錄時，移動光標(biāo)至“合攏處”的匯合點(diǎn)，使顯示數(shù)據(jù)長度相加值為中繼段全長，損耗值相加即為中斷段線路損耗。此方法雖未全部雙向測量，但實(shí)際統(tǒng)計分析表明，由于中繼段是由很多光纜連接而成，方向誤差呈自然平衡狀態(tài)，兩個方向各測一半，其結(jié)果與由中間分兩段雙向測量的統(tǒng)計值基本一致。

圖4 鬼影的形成

6.結(jié)束語

OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光時域反射儀)作為光纖通信的主要測試儀表之一，在科研、教學(xué)、工廠、施工、維護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。就目前而言O(shè)TDR不論進(jìn)口設(shè)備還是國產(chǎn)設(shè)備，對測試精度和盲區(qū)兩個關(guān)鍵問題都會因?yàn)闇y試者的技術(shù)發(fā)揮有一定的差異。隨著時間的推移和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使用新一代人工智能OTDR進(jìn)行光纖參數(shù)全自動測試，速率會更快、效果會更好。

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